Des chercheurs observent pour la première fois des impulsions son-lumière dans des matériaux 2D


Rayon de lumière

Crédit : CC0 Domaine public

À l’aide d’un microscope électronique à transmission ultra-rapide, des du Technion – Israel Institute of Technology ont enregistré pour la première fois la propagation d’ondes sonores et lumineuses combinées des atomiquement minces.

Les expériences ont été réalisées au Robert et Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory sous la direction du professeur Ido Kaminer de la faculté Andrew et Erna Viterbi de génie électrique et informatique et du Solid State Institute.

Les matériaux monocouches, également appelés matériaux 2D, sont de nouveaux matériaux, des corps solides constitués d’une seule couche atomique. Le graphène, le premier matériau 2D découvert, a été isolé pour la première fois en 2004, une réalisation qui lui a valu le prix Nobel en 2010. Les scientifiques du Technion montrent maintenant pour la première fois comment les impulsions lumineuses se déplacent dans ces matériaux. Leurs résultats, « Spatiotemporal Imaging of 2D Polariton Wavepacket Dynamics Using Free Electrons », ont été publiés dans. publié la science.

La lumière se déplace dans l’espace à 300 000 km/s. L’eau ou le verre le ralentit d’une fraction. Mais lorsqu’elle traverse certains solides avec quelques couches, la lumière ralentit presque mille fois. Cela se produit parce que la lumière fait vibrer les atomes de ces matériaux spéciaux pour créer des ondes sonores (également appelées phonons), et ces ondes sonores atomiques créent de la lumière lorsqu’elles vibrent. Ainsi, l’impulsion est en fait une combinaison étroitement liée de son et de lumière appelée « phonon polariton ». Lorsqu’il est allumé, le matériau « chante ».

Les scientifiques ont émis des impulsions lumineuses le long du bord d’un matériau 2D et ont créé les ondes hybrides son-lumière dans le matériau. Non seulement ils ont pu enregistrer ces ondes, mais ils ont également découvert que les impulsions peuvent s’accélérer et ralentir spontanément. Étonnamment, les ondes se sont même séparées en deux impulsions distinctes qui se déplacent à des vitesses différentes.

L’expérience a été réalisée à l’aide d’un microscope électronique à transmission ultrarapide (UTEM). Contrairement aux microscopes optiques et aux microscopes électroniques à balayage, les particules traversent l’échantillon ici et sont ensuite captées par un détecteur. Ce processus a permis aux chercheurs de suivre l’onde son-lumière dans une résolution auparavant inaccessible, à la fois spatialement et temporellement. La résolution temporelle est de 50 femtosecondes – 50 × 10 – 15 secondes – le nombre d’images par seconde correspond au nombre de secondes dans un million d’années.






Crédit photo : Technion – Institut de technologie d’Israël

« L’onde hybride se déplace à l’intérieur du matériau, vous ne pouvez donc pas la voir avec un microscope optique normal », a expliqué Kurman. « La plupart des mesures de la lumière dans les matériaux 2D sont basées sur des techniques de microscopie qui utilisent des objets en forme d’aiguille qui balayent la surface par point, mais tout contact de l’aiguille perturbe le mouvement de l’onde que nous essayons de cartographier. Notre nouvelle technologie peut cartographier le mouvement de la lumière sans interférence. Nos résultats n’auraient pas pu être obtenus avec les méthodes précédentes. Par conséquent, en plus de nos découvertes scientifiques, nous présentons une technologie de mesure jusqu’alors inconnue qui sera pertinente pour de nombreuses autres découvertes scientifiques . « 

Cette étude est née au plus fort de l’épidémie de COVID-19. Pendant les mois de confinement où les universités étaient fermées, Yaniv Kurman, doctorant dans le laboratoire du professeur Kaminer, était assis chez lui à faire les calculs mathématiques qui prédisaient le comportement des impulsions lumineuses dans les matériaux 2D et la manière dont elles seraient mesurées. Pendant ce temps, Raphael Dahan, un autre étudiant du même laboratoire, a découvert comment focaliser les impulsions infrarouges dans le microscope électronique du groupe et a effectué les mises à niveau nécessaires pour y parvenir. À la fin du verrouillage, le groupe a pu prouver la théorie de Kurman et même découvrir des phénomènes supplémentaires auxquels ils ne s’attendaient pas.

Bien qu’il s’agisse d’une étude scientifique fondamentale, les scientifiques s’attendent à ce qu’elle ait de multiples applications dans la recherche et l’industrie. « Avec le système, nous pouvons examiner divers phénomènes physiques qui seraient autrement inaccessibles », explique le professeur Kaminer. « Nous prévoyons des expériences pour mesurer les tourbillons de lumière, des expériences sur la théorie du chaos et des simulations de phénomènes qui se produisent près des trous noirs. De plus, nos résultats pourraient permettre la fabrication de « câbles » à fibres optiques atomiquement minces pouvant être utilisés dans des circuits électriques et transmettre des données sans surchauffer le système – une tâche qui fait actuellement face à des défis importants en raison de la minimisation des circuits. « 

Les travaux de l’équipe lancent des recherches sur les impulsions lumineuses dans de nouveaux matériaux, étendent les capacités des microscopes électroniques et favorisent la possibilité de communication optique à travers des couches atomiquement minces.

« J’étais enthousiasmé par ces découvertes », déclare le professeur Harald Gießen de l’Université de Stuttgart, qui n’a pas participé à cette recherche. « Cela représente une véritable percée dans la nano-optique ultra-rapide et représente l’état de l’art et la pointe de la science. L’observation dans l’espace réel et en temps réel est merveilleuse et pour autant que je sache, elle n’a jamais été démontrée auparavant. « 

Un autre scientifique éminent non impliqué dans l’étude, John Joannopoulos du Massachusetts Institute of Technology, a ajouté : « La clé de cette réalisation réside dans la conception et le développement intelligents d’un système expérimental. Ce travail d’Ido Kaminer et de son groupe et de ses collègues est une avancée décisive. C’est d’un grand intérêt, à la fois scientifiquement et techniquement, et d’une importance vitale pour le domaine. »


Un microscope unique permet une percée dans la science quantique


Plus d’information:
Yaniv Kurman et al., Spacetime Imaging of 2D Polariton Wave Packet Dynamics with Free Electrons, la science (2021). DOI : 10.1126 / science.abg9015

Fourni par Technion – Institut de technologie d’Israël

Citation: Des chercheurs pour la première fois des impulsions son-lumière dans des matériaux 2D (2021, 11 juin), consulté le 11 juin 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-06-sound-light-pulses-2d- matériaux.html

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